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磨削比

工件的材料磨除量与砂轮磨损量之比称为磨削比。

工件的材料磨除量与砂轮磨损量之比称为磨削比。

磨削比能Es是指单位时间去除单位体积工件材料所消耗的能量.通常可以表示为:Es=Pmvwapb其中:Pm为能量消耗

研究磨具与工件在磨削加工过程中的各种物理现象及其内在联系的一门学科。磨削原理的研究内容主要包括磨屑形成过程、磨削力和磨削功率、磨削热和磨削温度、磨削精度和表面质量、磨削效率等,目的在于深入了解磨削的本质,并据以改进或创造磨削方法。

磨削原理的研究始于1886年,美国的C.H.诺顿和C.艾伦合作研究砂轮和磨削过程,20年之后制订出正确选择砂轮类别和砂轮速度的原则;同时发现为了提高磨削效率和精度,必须对砂轮进行平衡,并在磨削过程中正确地修整砂轮(见砂轮修整)和使用切削液。1914~1915年,英国的J.格斯特和美国的G.奥尔登对磨削用量、磨屑大小和选择砂轮等问题又作了进一步的研究。此后,磨削原理的研究不断深入。在磨屑形成方面,德国的K.克鲁格对砂轮上磨粒与工件的接触弧长和影响单颗磨粒的切深的因素进行了几何计算和研究在1925年提出了研究报告。德国的M.库莱恩和G.施勒辛格尔以及日本的关口八重吉等人对磨削力作了研究,在20年代末至30年代先后提出了磨削过程中影响磨削力的诸因素,并使磨削力的测量技术不断发展。从30年代起,随着测量磨削表面温度实验技术的发展推动了有关磨削热的理论研究。对于砂轮磨削性能的理论研究导致一系列新型高速砂轮的出现发展了砂带磨削。由于金刚石和立方氮化硼磨料的应用,磨削原理又得到新的发展。70年代以来,应用扫描电子显微镜对磨削的微观过程和超精密磨削的机理作了深入的分析。

磨粒在磨具上排列的间距和高低都是随机分布的,磨粒是一个多面体,其每个棱角都可看作是一个切削刃,顶尖角大致为90°~120°,尖端是半径为几微米至几十微米的圆弧。经精细修整的磨具其磨粒表面会形成一些微小的切削刃,称为微刃。磨粒在磨削时有较大的负前角(见刀具),其平均值为-60°左右。磨粒的切削过程可分3个阶段。

①滑擦阶段:磨粒开始挤入工件,滑擦而过,工件表面产生弹性变形而无切屑。

②耕犁阶段:磨粒挤入深度加大,工件产生塑性变形,耕犁成沟槽,磨粒两侧和前端堆高隆起;

③切削阶段:切入深度继续增大,温度达到或超过工件材料的临界温度,部分工件材料明显地沿剪切面滑移而形成磨屑。

根据条件不同,磨粒的切削过程的3个阶段可以全部存在,也可以部分存在。磨屑的形状有带状、挤裂状和熔融的球状等,可据以分析各主要工艺参数、砂轮特性、冷却润滑条件和磨料的性能等对磨削过程的影响,从而寻求提高磨削表面质量和磨削效率的措施。

磨削时磨粒受到工件材料变形的阻力以及磨粒与工件表面间的摩擦力,形成磨削力。磨削力可按工件与磨具的相对位置分解为切向分力Ft,法向分力Fn和轴向分力Fa。一般法向分力较大,随着工件材料和砂轮特性的不同,Fn/Ft=1.5~3;当采用润滑性能好的切削液时,由于摩擦力减少,Fn/Ft可高达4。轴向分力较小,一般可不予考虑。磨削功率Pm(千瓦)与切向分力F(N)和磨削速度(米/秒)的关系如下式:Pm=Ftv/1000。在特定的磨削条件下,都有一个最佳磨削力区间,采用该区间的磨削力加工可获得较高的金属切除率、较小的表面粗糙度和较长的砂轮寿命,因此发展了在磨削过程中使磨削力按预定数值保持恒定的控制力磨削技术。

磨削过程中所消耗的能量几乎全部转变为磨削热。试验研究表明,根据磨削条件的不同,磨削热约有60~85%进入工件,10~30%进入砂轮,0.5~30%进入磨屑,另有少部分以传导、对流和辐射形式散出。磨削时每颗磨粒对工件的切削都可以看作是一个瞬时热源,在热源周围形成温度场。磨削区的平均温度约为400~1000℃,至于瞬时接触点的最高温度可达工件材料熔点温度。磨粒经过磨削区的时间极短一般在0.01~0.1毫秒以内,在这期间以极大的加热速度使工件表面局部温度迅速上升,形成瞬时热聚集现象会影响工件表层材料的性能和砂轮的磨损。

大多数情况下磨削是最终加工工序,因此直接决定工件的质量。磨削力造成磨削工艺系统的变形和振动,磨削热引起工艺系统的热变形,两者都影响磨削精度。磨削表面质量包括表面粗糙度、波纹度、表层材料的残馀应力和热损伤(金相组织变化、烧伤、裂纹)。影响表面粗糙度的主要因素是磨削用量、磨具特性、砂轮表面状态(也称砂轮地形图)、切削液、工件材质和机床条件等。产生表面波纹度的主要原因是工艺系统的振动。由于磨削热和塑性变形等原因,磨削表面会产生残馀应力。残馀压应力可提高工件的疲劳强度和寿命;残馀拉应力则会降低疲劳强度,当残馀拉应力超过材料的强度极限时,就会出现磨削裂纹。磨削过程中因塑性变形而发生的金属强化作用,使表面金属显微硬度明显增加,但也会因磨削热的影响,使强化了的金属发生弱化。例如砂轮钝化或切削液不充分,在磨削表面的一定深度内就会出现回火软化区,使表面质量下降,同时在表面出现明显的褐色或黑色斑痕,称为磨削烧伤。

评定磨削效率的指标是单位时间内所切除材料的体积或质量,用mm3/s或kg/h表示。提高磨削效率的途径有:①增加单位时间内参与磨削的磨粒数,如采用高速磨削或宽砂轮磨削;②增加每颗磨粒的切削用量,如采用强力磨削。在砂轮两次修整之间切除金属的体积与砂轮磨损的体积之比称为磨削比(也有以两者的重量比表示的)。磨削比大,在一定程度上说明砂轮寿命较长。磨削比减小,将增加修整砂轮和更换砂轮的次数,从而增加砂轮消耗和磨削成本。影响磨削比的因素有:单位宽度的法向磨削分力、磨削速度以及磨料的种类、粒度和硬度等。一般单位法向磨削分力越小或磨削速度越高,则磨削比越大;砂轮粒度较细和硬度较高时,磨削比也较大。

磨削加工类型不同,运动形式和运动数目也就不同。外圆与平面磨削时,磨削运动包括主运动、径向进给运动、轴向进给运动和工件旋转或直线运动四种形式:

⒈主运动 砂轮回转运动称为主运动。主运动速度(即砂轮外圆的线速度),称磨削速度,用vs表示

⒉径向进给运动 砂轮切入工件的运动称为径向进给运动。

⒊轴向进给运动 ;工件相对于砂轮沿轴向的运动称轴向进给运动。

⒋工件圆周(或直线)进给运动 ;磨削过程l砂轮表面上磨粒可近似地看作是一把把微小的铣刀齿,其几何形状和角度有很大差异。致使切削情况相差较大。因此必须研究单个磨粒的磨削过程。

磨削过程中,砂轮表面上磨粒可近似地看作是一把把微小的铣刀齿,其几何形状和角度有很大差异。致使切削情况相差较大。因此必须研究单个磨粒的磨削过程。

砂带磨削是砂带这一特殊形式的磨削工具,借助于张紧机构使之张紧,和驱动轮使之高速运动,并在一定压力作用下,使砂带与工件表面接触以实现磨削加工的整个过程。

广义地讲,砂带磨削与砂轮磨削同样都是高速运动的“微刃切削刀具”——磨粒的微量切削而形成的累积效应,因而其磨削机理大致上也是相同的。但由于砂带本身的构成特点和使用方式不同,使砂带磨削不论是在磨削加工机理方面,还是其综合磨削性能方面都有别于砂轮磨削,这主要表现在:

1)砂轮磨削是刚性接触磨削,而砂带磨削则是弹性接触磨削,而且即使是在使用无弹性的钢制接触轮的情况时也是如此,因为组成砂带的基材、粘结剂都具有一定的弹性,更何况大多数情况下都采用有弹性的橡胶作接触轮。

正因为如此,砂带磨削除了具有砂轮同样的滑擦、耕犁和切削作用外,还有磨粒对工件表面的挤压作用,并使之产生塑性变形、冷硬层变化和表层撕裂,以及由于摩擦使接触点温度升高,而引起的热塑性流动等综合作用。所以,从这点来看,砂带磨削同时具有磨削、研磨和抛光的多重作用。而这也正是砂带磨削表面质量好的原因。

另一方面,由于砂带的这种弹性磨削特点,还使砂带在磨削区域内与工件接触的长度比砂轮大,同时参加磨削的磨粒数目多,单颗磨粒所受载荷小,且均匀,磨粒破损小。而使整个砂带的磨耗比(磨削材料去除量与砂带磨粒消耗量之比称为磨削比,而磨削比的倒数就称为磨耗比)比砂轮要小得多。

2)砂轮的磨粒在磨削表面上的分布是杂乱无章的,很不规则,实际磨削时,磨粒都是以较大的负前角、小后角甚至负后角的刃口进行切削,切削条件很恶劣。砂带则不同,砂带的磨料是专门制造的,磨粒的几何形状常呈长三角体,并多采用静电植砂等一系列先进工艺制作,磨粒的大小和分布均匀,等高性好,并且是尖刃朝外的形式植于砂带基材表面上,露出复胶层的部分较多。因而,砂带的磨粒比砂轮的磨粒锋利,切削条件较好,磨削时材料变形小,切除率高,磨削力和随之产生的磨削热小,磨削温度低。

3)砂轮磨粒间充满了结合剂,容屑空间很小。而砂带磨粒间容屑空间一般至少比砂轮大10倍,加之磨粒等高性好,因而砂带磨粒的有效切削面积大,切削能力比砂轮强,并且磨屑可随时直接带走,很少残留在砂带表面造成堵塞,而不会由此增加摩擦发热,磨削区域温度低。

4)砂带的周长从设计角度来看,可以远远超过砂轮的周长,这就使得砂带在磨削时既有良好的散热区域,又可以通过砂带的悬空部分〈即不与接触轮、张紧轮、压磨板等接触的部分〉在运行时的振荡,将粘在砂带上的磨屑自然抖掉,进一步减少磨粒被填塞的现象,从而减少摩擦发热,这也是砂带磨削温度低的一个原因。

由此可见,砂带磨削的加工机理是同于砂轮磨削又有别于砂轮磨削的一种更为复杂的形式,这是分析了解砂带磨削机理的理论基础和根本出发点。

砂带磨削是由大量的垂直定向排列在砂带表面的磨粒切刃来完成的。每个磨粒均可近似看作一把微型刀具,因而研究这些单颗磨粒的磨削过程是研究整个砂带磨削的基础。

砂带表面的磨粒从微观来看,就象一种刀尖为圆弧,刃角为钝角或钝圆的切削刀具。其圆弧半径由几微米到几十微米,大小与磨粒的材质和粒度有关。由于磨粒的这种几何特性,在磨削时,切削深度小(切屑厚度薄),一般在O.005~0.05mm左右。所以绝大多数磨粒切削刃是在大负前角条件下对工件进行切削。这与机床刀具切削过程一样,工件材料在磨粒切削刃的挤压、摩擦作用下产生变形转为切屑,形成加工表面。砂带的弹性接触特征使磨粒切削刃的切削过程大致可以分为挤压、滑擦、耕犁、切削四个阶段,如图所示。最初磨粒挤入工件,由于切

入深度小于磨粒刃尖圆弧半径,形成很大的负前角,工件表面仅发生弹性变形。随着切入深度增大,磨粒对工件表面的压力逐渐增大,开始压入工件,工件表面由弹性变形开始过度到塑性变形。磨粒继续挤压,摩擦加剧,热应力剧增,在工件表面耕犁出沟痕,沟痕两边金属滑移隆起突出。工件材料塑性变形不断增加。当切入深度继续增加时,被推挤的金属层明显滑移。推挤压力超过工件材料强度后形成切屑从前刀面流出,切离工件表面。加工材料不间,磨粒切削过程四个阶段在整个磨削过程中所占比例也不一样。

磨削过程是磨粒切削刃切削金属的过程,它同机床刀具切削一样,被磨削金属也经历了弹性变形、塑性变形、切削形成等过程,并有大量的磨削力和磨削热产生。磨削过程中由于磨粒形状及分布状态不一,砂带表面的磨粒存在实际参加磨削的有效磨粒少于其磨粒总数的情况。因而同一时间内磨粒对金属的挤压、滑擦、耕犁和切削作用的大小不同,所得到的效果亦不同。甚至同一颗磨粒的不同部位以及同一部位在不同的加工时间里所起的作用也不同,可见砂带的磨削是十分复杂的。特别是磨粒切刃的负前角切削过程,切削条件很差,各阶段的剧烈挤压使磨削表面产生严重的塑性变形,而且大量塑性变形的金属不是成为切屑流出,而是仍保留在已加工表面,所以加工表面的硬化现象严重,残余应力较大。由于磨粒的高速运动,加之磨粒切刃较钝,在磨削区造成较大的摩擦和弹性、塑性变形,磨削过程中会有较大的热量产生,导致磨削区工件表面温度上升,将引起工件表面层发生变化。特别是在砂带磨粒磨损严重时,磨削摩擦加剧,产生大量的磨削热,使工件表层温度急剧上升,导致表层金属发生组织变化〈如烧伤、裂纹、热应力等)。这也正是为什么使用砂带磨削有时仍会烧伤工件表面的一个原因。从微型刀具——磨粒的几何结构看,其负前角大,后角小,特别是砂带弹性磨削这一特点使磨粒在磨削时对工件产生的挤压作用很强,远远大于切屑分离时的拉伸作用。在磨削垂直方向上,磨粒两侧的金属都受到较强烈的挤压,所以导致较大的残余压缩应力形成。此外,工件表面在磨粒挤压,滑擦,耕犁等综合作用下,产生的塑性形变会引起晶格歪曲、畸变、金属密度降低、比容增加,也会形成表面残余压应力,下层形成拉应力。所以综合以上分析可知,砂带在磨削时,磨削力及塑变因素引起工件表面常常呈残余压应力。这对零一些可靠性要求很高的零件加工(如飞机叶片、发电机转轴等)是极其重要的。

所以,归纳起来,砂带磨削的机理可以这样总结:由于砂带表面磨粒分布均匀、等高性好、尖刃外露、切刃锋利,切削条件比砂轮磨粒好,使得砂带磨削过程中,磨粒的耕犁和切削作用大,因而材料切除率大、效率高。

由于砂带的弹性接触状态,使得砂带磨粒对工件表面材料的挤压和滑擦作用大,因而磨粒有很强的研磨、抛光作用,磨削表面质量好。

由于砂带磨粒容屑空间大,磨屑堵塞造成摩擦加剧的可能性减少,由此产生的热量少;由于砂带与工件接触弧长较大,单颗磨粒受力较小而且均匀;砂带磨粒切刃锋利,磨削时材料变形小,所产生的热量相应也小,再加上砂带周长长,散热性好,因而砂带在整个磨削过程中产生的磨削力和产生的磨削热相对于砂轮来说就低得多,磨削温度低,故有“冷态”磨削之称。

随着现代科学技术的高速发展,由聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)等超硬材料制成的刀具品种越来越丰富,其性能也得到不断发展和提高。刀片磨料粒径从数十微米、几微米到纳米级;金刚石、立方氮化硼的含量分为低含量、中等含量和高含量;结合剂既有金属、非金属也有混合材料;PCD层厚度从毫米级到微米级;PCD层与硬质合金衬底的结合方式有平面、波纹面;PCD层有高耐磨、高韧性、高耐热等不同特性。PCD、PCBN刀具的应用范围扩大到汽车、航天航空、精密机械、家电、木材、电子电气等行业,用于制作车刀、镗刀、铣刀和钻头、铰刀、锪刀、锯刀、镂刀、剃刀等。

尽管PCD、PCBN刀具发展如此之快,但因其高硬度导致的刀具刃磨困难一直困扰着大多数用户,刀片的重磨也主要由原刀具生产厂家来完成。不仅刀具价格高,交货期长,而且占用企业流动资金。因此,很有必要认真研究PCD的磨削特点及PCD刀具的刃磨技术。

PCD切削刀具的生产工艺流程一般包括抛光、切割、固接、刃磨、质检等。PCD超硬材料毛坯直径通常有1/2、1、2、3、4英寸,其表面一般较粗糙(Ra2-10μm),不能直接用于制作刀具,需经研磨抛光使其表面达到镜面(Ra≤0.01μm),然后通过激光切割或电火花线切割加工成一定几何形状和尺寸要求的刀片,再进一步对刀片和基体待固接面进行机械和化学处理,然后采用银基硬钎焊将刀片固接于基体上,最后经金刚石砂轮刃磨。

PCD切削刀具制造技术的关键之一是切削刃的刃磨质量。优质刀头材料缺乏理想的刃磨工艺和技术将会造成资源浪费,采用好的刃磨工艺则会提升刀具的产品质量,降低刀具使用成本。

PCD是由特殊处理的金刚石与少量粘结剂在高温超高压下烧结而成。无序排列的金刚石晶粒使PCD具有均匀的、极高的硬度和耐磨性。PCD可用于切削刀具、砂轮修整、地质钻探、量具测头、拉丝摸具、喷砂摸具等。但是PCD的高硬度和高耐磨性也给其加工带来了很大困难。

国内外学者针对PCD材料的高硬度和高耐磨性所带来的加工难题进行了大量的研究和试验,其中包括电火花加工、超声波加工、电化学加工、激光加工等,并取得了一定效果。但综合分析发现,这些加工技术多适用于PCD材料的粗加工场合。要想获得好的PCD切削刃口质量,最理想的加工方法仍是用金刚石砂轮磨削或研磨。

PCD的磨削加工主要是机械和热化学两方面混合作用的结果。机械作用是通过金刚石砂轮磨粒对PCD材料的不断冲击而形成的金刚石的微破碎、磨损、脱落或解理;热化学作用则是金刚石砂轮磨削PCD形成的高温使金刚石发生氧化或石墨化。二者混合作用的结果致使PCD材料被去除。其磨削加工特点主要为:

⑴磨削力很大

金刚石是已知矿物中硬度最高的物质,与各种金属、非金属材料配对摩擦的磨损量仅为硬质合金的1/50-1/800;PCD的硬度(HV)为80-120KN/mm2,仅次于单晶金刚石,远高于硬质合金。采用金刚石砂轮磨削PCD时,起始切削强度很高,约为硬质合金(0.4MPa)的10倍以上;比磨削能达1.2×104-1.4×105J/mm3;因此磨削力远高于磨削硬质合金。

⑵磨削比很小

由于PCD的硬度和耐磨性很高(相对耐磨性为硬质合金的16-199倍),磨削PCD时其磨削比仅为0.005-0.033,约为硬质合金的1/1000-1/100000;磨削效率仅0.4-4.8mm3/min。因此,为了保证切削刀具的刃口质量和去除量,磨削时间很长、加工效率很低。此外,当PCD的硬度、含量、粒度不同时,其磨削时间也相差悬殊。

⑶粒度影响很大

PCD材料用于切削刀具按粒度主要分为三类:粗粒度(20-50μm)、中粒度(10μm左右)和细粒度(-5μm),其磨削力、磨削比相差几倍至数十倍。粗粒度PCD磨削比最高,磨削也最困难,且磨削后刃口锯齿状最严重、质量最差,但耐磨性最强;细粒度PCD磨削比相对最低,磨削较易、磨削后刃口质量最好。

基于PCD的上述磨削特点,用金刚石砂轮磨削加工PCD时对刃磨设备的要求比一般工具磨床高得多。主要有:

⑴机床具有良好的工艺系统刚性

由于PCD材料硬度很高,因此磨床必须有较高的抗变形能力,特别是主轴系统和刀具装夹系统。PCD切削刀具刃磨时磨削力一般达100-500N。因此要求机床的轴径大、轴承的轴向刚性和强度要高。

⑵机床具有行程可调和速度可调的短程摆动机构

PCD磨削比极低,PCD的磨削加工机理主要是通过金刚石砂轮对PCD材料的不断冲击而形成的微破碎、磨损、脱落、解理等机械作用和氧化、石墨化热化学作用混合的结果。因此采用短程摆动机构有利于提高磨削效率,改善刀具刃口质量。一般摆动距离0-50mm,摆动速度20-60次/分。

⑶机床的刀夹具有高精度回转功能和在线检测装置

由于PCD材料硬脆而耐磨,通常将其刀尖设计为圆弧状,以减小刀具和工件相对振动的幅值。为了实现刀尖圆弧的加工,机床的刀夹应具有高精度回转功能和刀尖圆弧半径尺寸与质量在线检测装置。这样可避免多次装夹带来的定位误差,同时可成倍提高加工效率。

⒌1 刃磨工艺的选择

切削刀具刃磨的目的之一是获取性价比高的切削刃口质量,而质量好坏的关键在于刃磨砂轮粒度的选择。砂轮粒度越细,切削刃崩口越小,而磨削效率越低。为此可根据刀具切削刃的精度、用途(见表1)或其失效程度(见表2),将PCD切削刀具刃磨工艺分为粗、精、细三个加工阶段。根据具体情况制订合理刃磨工艺可大幅度提高加工效率。

粗加工对刃口要求不高,可选电加工或磨削加工。电加工效率高,宜用于加工复杂刀具,如印刷电路板用钻头、切削强化木地板用成型铣刀等。磨削加工时可选粗粒度砂轮,刃磨时接触面积大、磨削力高(300-400N),可快速去除多余的加工余量;细加工时选用细粒度砂轮,刃磨时接触面积小、磨削力低(100-200N)、磨削发热量少,但材料去除率低。此阶段主要是通过研磨和抛光,进一步改善切削刃口质量。精加工居于二者之中。

⒌2 刃磨工艺要点

⑴主轴精度要好,一般砂轮端面跳动应≤0.02mm。砂轮端面跳动过大,磨削时砂轮断续冲击切削刃,容易使切削刃发生崩口,难以获得高精度切削刃。

⑵砂轮应具有良好的动平衡。砂轮的不平衡将导致机床的振动,进而影响被加工刀具的刃口质量和加工精度。

⑶刃磨砂轮应优先选用陶瓷结合剂金刚石砂轮。因为在磨削过程中陶瓷结合剂易发生微裂使磨粒得到更新自锐,使磨削过程平稳,有利于提高加工表面的精度和效率;次之可选耐热性较高的树脂结合剂金刚石砂轮。

⑷适时注意砂轮开刃,且开刃油石粒度要合适。用金刚石砂轮加工PCD刀具时,砂轮会发生堵塞、钝化、高温和快速磨损,导致加工速度降低和振纹、噪音、烧伤的产生。通常选择比所用砂轮粒度细1-2号的软碳化硅油石作为开刃油石。

⑸因金刚石易与铁系合金发生化学扩散,加速砂轮磨损,因此应尽可能避免同时磨削金属与PCD。

⑹砂轮回转方向务必从刀具前刀面向后刀面回转。从磨削时PCD 刀具切削刃的受力可知,当砂轮从刀具前刀面向后刀面回转时,其磨削力(切向与法向力之和)作用于切削刃向内,即刀具受压应力,不易崩刀;反之则为拉应力,切削刃易崩口。若因刀具结构原因必须反转刃磨时,则选用树脂结合剂砂轮优于金属和陶瓷结合剂砂轮。

⑺为了保证切削刃质量同时提高刃磨效率,可将刀具的后角分为大后角和小后角。用粗粒度砂轮先磨大后角,因接触面大磨削力大,刃磨效率高;然后用细粒度砂轮刃磨小后角,将小后角的刃带宽度控制在0.1-0.3mm左右,接触面小刃磨质量好。

⑻尽可能在一次装夹中完成对刀具切削刃的加工。

⑼PCD刃磨冷却液应优选水基磨削液。由于PCD材料硬度高且耐热性差,水基磨削液冷却效果优于油基磨削液,可提高加工效率和刃口质量。另外磨削过程中冷却要充分,不能断流,避免因磨削液量小或断续供给造成金刚石(砂轮、刀具)的大量消耗(氧化、石墨化)和刀具的刃口破损。

磨削液的PB、PD值与使用效果评定为了评定磨削液的PB、PD值对磨削力、磨削效率、磨削加工表面质量的影响,我们调整了磨削液中油性剂、极压剂的含量和配比,制备出不同PB、PD值的试液,在专用试验台上进行磨削力、砂轮最大堵塞值、磨削效率及加工粗糙度的考察;通过磨床加工零件的实地检测,确认了PB、PD值与磨削工艺效果的关系。

最后将较好的配方与国外同型样品作了攻丝扭矩的试验对比,以考查比较其技术水平。专用台架试验试验专用台架的示意图见图1。供试溶液为1#和2#溶液,各自的参数见表2,试液配比浓度均为5%。试验测定参数为:磨削力(法向磨削力Fn和切向磨削力Ft);砂轮最大堵塞值(µA);磨削效率用每修整1次砂轮后可磨削加工的工件数作为磨削效率指标(件/次);磨削加工后的表面粗糙度Ra(µm),用砂轮修整前最后1件磨削加工件测得的表面粗糙度值和砂轮修整后的第1件磨削加工件测得的表面粗糙度值作为指标值。图1 试验专用台架的示意图表2 专用台架试验供试溶液参数供试溶液样别摩擦系数µPB值/NPD值/N比值PD/PB1#溶液0.092686832.21.22#溶液0.08949011272.3表3 专用台架试验结果试液样别法向摩擦力FnN切向磨削力FtN磨削效率件/次砂轮最大堵塞值µA修整前最后1件表面粗糙度Raµm修整后加工第1件表面粗糙度Raµm1#72.6748.6478611.251.02#64.7243.15100440.90.7对比-10.94-11.29+28.21-27.87-0.35-0.30由表3可以看出:1#试液由于PB值较高,形成的润滑膜较为牢固,磨削时因为要同时撕破这种膜,就要消耗更多的功;而在极压状态,由于PD值较低、没有化学反应或物理沉积形成低剪切膜的条件,表现为磨削力较高和起伏波动较大,作为这种起伏变化的后果,磨削加工面的粗糙度也相应较高。与此同时,砂轮也会受到较大反作用力的冲击,易于形成粘附磨损和扩散性磨损,使砂轮空隙堵塞变钝。

2#试验液PB值较低,工件上形成的润滑膜易在磨削时去除;它的PD值较高,在极压状态能在被加工面不断形成易于磨削的低剪切膜,磨削力较小且波动较为平稳,基于同样的理由,砂轮受损较小,能保持锋利并可获得较好的磨削质量。试验磨削力记录曲线见图2和图3。图2 1#(5%)磨削力曲线图图3 2#(5%)磨削力曲线图4 PD/PB比值对磨削比G影响的试验曲线磨削比的试验检测在磨削加工中通常用磨削比G来表征砂轮的耐用度,而当砂轮、被加工材料和其他机械加工条件相同时,G就可以用来作为磨削液质量的评价指标之一。这里,G=Vm/Vs。式中:Vm为每磨削工件100件的金属磨除量,mm³;Vs为每磨削工件100件的砂轮磨损量,mm³。为了寻求最佳的磨削比G效果,重新调整了配方中的油性剂、极压剂的用量和配比,获得了不同PB、PD值的试液,在磨床上进行实际磨削加工和测试。试验条件为:机床为M8810外沟磨床;砂轮规格为GB180R×;6,材质是橡胶砂轮砂轮圆周速度Vs=24,000r/min;试件为轴承外套,材质GCr15钢,尺寸203/01;试件转速:NW=840r/min。用千分表分别测量磨削加工前后的工件尺寸和砂轮尺寸,计量出Vm和Vs。每次加工、测量100件,重复进行3次,取3次的平均值,试验结果见图4。可见,磨削比G随PD/PB的比值增大而提高。在试验的设定范围内几乎呈直线关系。高的PD值和适当的PB值可减少砂轮磨损,提高磨削效率,其结果和台架试验的结果相吻合。攻丝扭矩试验基于上述专用台架试验和磨削比试验,为了和国外同型产品(美国产合成液,为中国引进设备中比较广泛采用的一个品种)进行比较,制备了A、B型2种SP202合成磨削液,在上海大学研制的快速攻丝扭矩试验机上进行了攻丝扭矩的测定。攻丝扭矩试验条件为:10mm标准丝锥,攻丝材料CrMo45钢,攻丝转速200r/min,试液浓度5%。试液参数和攻丝试验测定结果见表4。

试液参数和攻丝扭矩试验测定结果溶液样别PB值NPD值NPD/PB比值攻丝扭矩测定值 Ncm第1次第2次平均值合成液(美)372.41234.83.32161.7161.7161.7试液A372.41234.83.32147.0150.0148.5试液B431.215683.64117.6132.3124.95攻丝扭矩试验中,试液A与进口样品比较,PB、PD值相当,而攻丝扭矩测试结果仅降低了8.16%,其差异可能是由于渗透、清洗能力不同所致。试液B由于PD/PB值比进口试样高,而攻丝扭矩测定结果比较,降低了22.75%。这就为SP202磨削液替代进口产品提供了技术依据。从上述3种试验的结果可知,得到的结论是一致的,即在一定条件下,磨削液的PD/PB值是决定磨削工艺效果的重要参数之一。而仅依靠PB值来判断磨削液摩擦特性的作法显然是不完善的。磨削液的生产验证SP202磨削液已在十多家单位生产应用数年,根据各单位的使用试验报告,和过去使用的乳化液相比,可提高磨削比1-1.7倍,磨削量增加40%-75%,砂轮损耗降低26%-75%,改善加工表面粗糙度1-2小级;而且由于其不含油剂和有害成分,无臭、无刺激性,有利于环境保护,对操作者健康无害,受到了普遍欢迎。结语通过专用台架试验和磨削比试验,确认仅用PB值来表达磨削液的摩擦特性是不完善的;在一定条件下PD/PB比值和磨削液的磨削比G呈线性关系,应作为判断磨削液性能的主要参数之一。据此研制出的SP202磨削液在生产使用中显示了良好的技术经济效益。


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